Во время основания Института электрофизики еще не было столь модных сегодня слов «нанотехнологии» и «наноматериалы». Они пришли к нам с Запада в начале девяностых прошлого века, когда благодаря бурному развитию методов анализа вещества с высокой локальностью, в частности изобретению атомно-силового и туннельного микроскопов, было признано, что свойства вещества, состоящего из «кирпичиков» размерами в десятки-тысячи ангстрем, существенно зависят от среднего размера этих «кирпичиков», т.е. от масштаба микроструктуры. Реально открылось новое измерение в развитии науки и перспективной техники: возможность кардинально управлять свойствами вещества через масштаб микроструктуры, точнее наноструктуры. При этом имеются ввиду не только твердые материалы (металлы, керамика, полимеры, композиты), но и так называемые «мягкие» вещества, к которым относятся биологические объекты и жидкие кристаллы.

Несмотря на «западное» происхождение упомянутой модной терминологии многие современные развивающиеся нанотехнологии были изобретены и развивались в нашей стране задолго до объявленного бума. Только назывались они другими словами – ультрадисперсные материалы и технологии. В Советском Союзе по данной проблеме проводились научно-технические конференции, и некоторые разработки были доведены до использования в промышленности. Это может быть темой большого отдельного повествования. Здесь же хотелось отметить, что к числу давних разработок, обеспечивающих высокий престиж отечественной науки, относятся получение нанопорошков электрическим взрывом проволок (ЭВП) и магнитно-импульсное прессование (МИП) порошков, развиваемые в Институте электрофизики. Данные методы представляют наглядный пример применения мощной импульсной электрофизики к технологии перспективных материалов. ЭВП технология разрабатывалась в институте с момента его основания под руководством одного из родоначальников метода Котова Юрия Александровича, все начиналось с первой ЭВП установки.

В течение 20 лет Институт электрофизики приобрел лицо авторитетной организации с высоким международным признанием в области нанотехнологий материалов. В настоящее время Институт разрабатывает технологии и оборудование для получения и компактирования слабо агрегирующих нанопорошков, формирования объемных и пленочных наноструктурных материалов. Развитые подходы позволяют реализовать уникальные состояния наноразмерных фаз в порошках и компактных материалах благодаря высоким скоростям и коротким длительностям (10^-6 – 10^-3 с) нагрева, испарения, конденсации и сжатия вещества. Широкая технологическая и приборная база, созданная в Институте позволяет выполнять полный цикл исследований и разработок нанотехнологий от получения нанопорошков до создания образцов изделий. В развитии технологических возможностей института весьма знаменательным был 1998 год, когда усилиями двух лабораторий, импульсных процессов и квантовой электроники, было положено начало лазерной отечественной технологии получения уникальных нанопорошков керамик. Важной вехой в технологическом развитии был 2004 год – год освоения литьевой технологии получения полимер-керамических пленок. Также можно обозначить моменты расширения аналитических возможностей в связи с появлением уникальных приборов современного поколения: сканирующего электронного микроскопа LEO (2000 г.), атомно-силового микроскопа Solver47p (2003 г.), и других.

Технологические задачи в области наноматериалов носят междисциплинарный характер, в их решении необходимы знания специалистов из разных областей знаний. В частности, над технологиями, развиваемыми в нашем институте совместно работают электрофизики, оптики, химики твердого тела и химики органики, материаловеды, механики и теоретики. Вовсе не означает, что полный комплект таких специалистов имеется в каждой лаборатории и даже в Институте электрофизики в целом. Успешное продвижение в области нанотехнологий было бы невозможно без согласованной кооперации научных лабораторий, в первую очередь, внутри института. Уравновешенное сочетание общей цели и личных амбиций всегда приносило успех, как в получении, так и в выполнении большинства научных проектов. В настоящее время в работы в области нанотехнологий вовлечены пять подразделений института: лаборатории импульсных процессов, прикладной электродинамики, квантовой электроники, пучков частиц и группа нелинейной динамики плазмы. Довольно широка география научного сотрудничества по России (Екатеринбург, Москва, Нижний Новгород, Томск, Ижевск, Новосибирск, Санкт-Петербург) и за рубежом (Германия, Нидерланды, Великобритания, Испания, Индия, Корея).

Подробнее расскажу о лаборатории прикладной электродинамики, с которой связана большая часть моей научной биографии. Сейчас лаборатория представляет собой достаточно большой и молодой коллектив со штатной численностью 20 и средним возрастом научных сотрудников 38 лет. Коллектив продемонстрировал способность решать сложные задачи в области нанотехнологий, создавать образцы современного магнитно-импульсного оборудования. В лаборатории развиваются два перспективные направления технологических исследований: создание компактных наноструктурных материалов (функциональные керамики и металло-матричные композиты), разработка твердооксидных топливных элементов на основе нанотехнологий. Имеется современное технологические и аналитическое оборудование. В сравнении с положением 15-ти летней давности, когда мы были новичками в нанотехнологиях, а из аналитического оборудования имели только морально устаревший рентгеновский дифрактометр, настоящая вооруженность оборудованием представляется сказкой. По настоящему такое ощущение, вероятно, приходит только к ветеранам, поскольку молодые сотрудники тех трудностей не видели.

Начинался наш коллектив из небольшой научной группы, открытой в лаборатории импульсных процессов Ю.А. Котовым для исследований по разработке напыления тугоплавких покрытий методом ЭВП (июнь 1987 г.). Я и С.Н. Паранин были первыми ее сотрудниками. Мы прибыли переводом из ФТИ УНЦ, г. Ижевск, по приглашению Ю.А. Котова и всемерной поддержке директора Института электрофизики академика Г.А. Месяца. Наш перевод имел серьезное объективное основание, и представлялся перемещением в родное сообщество электрофизиков-импульсников. Безусловно, имел место и субъективный фактор. Будучи студентом и аспирантом МФТИ, я занимался исследованиями в области ЭВП. Работа непосредственно выполнялась в ИВТАНе под руководством признанного в мире классика ЭВП доктора С.В. Лебедева. По научным трудам и конференциям мне были хорошо знакомы многие специалисты в области ЭВП, в том числе и томская школа «проволочников». После защиты аспирантской диссертации в 1983 г. была работа в Физико-техническом институте г. Ижевска в области разработки ЭВП покрытий. Разворачивать эти работы приходилось практически на пустом месте и с большим трудом, поскольку ФТИ имел чисто материаловедческий профиль. Туда же после окончания МФТИ приехал и Сергей Паранин. В 1986 г. стало известно об открытии Института электрофизики в Свердловске и перемещении туда из Томска корифея ЭВП Ю.А. Котова. Именно тогда мною и Параниным без колебаний было принято решение о переходе в Институт электрофизики, что и было реализовано в течение последующего года.

Институт электрофизики начинался со строительства лабораторных помещений на ул. Комсомольской 106, где мы успели поучаствовать. Затем был монтаж экспериментальной установки для исследований ЭВП напыления. Работали дружно и на результат, стремясь побыстрее приступить к экспериментам. Из-за недостатка площадей наша установка располагалась в одной проходной комнате с частотным ГИНом Сергея Рукина, в последствии автора SOS-эффекта. Буквально после начала первых экспериментов по ЭВП напылению от Геннадия Андреевича поступило предложение переключиться на сильноточные исследования высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) керамик. Направление представлялось крайне актуальным и перспективным. За открытие в 1986 ВТСП швейцарские ученые получили Нобелевскую премию, в 1987 г. уже были синтезированы первые ВТСП материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах выше точки кипения азота. Поскольку ВТСП керамики обладают высоким электросопротивлением в нормальном состоянии, то при высоких плотностях критических токов (10⁴ – 10⁵ А/см²) их было бы перспективно использовать в сильноточных ключах. Главные трудности оказались технологическими: традиционные керамические технологии позволяли получать ВТСП керамики с крит. токами плотностью порядка 10² А/см², что крайне мало для создания переключающих устройств. В 1989 г. мы приняли решение приступить к формированию компактных ВТСП керамик с применением магнитно-импульсного прессования с целью получения материала с высокими критическими токами. Использовали схему Z-пинча для сжатия порошка сверхпроводящей фазы в металлической трубе, стремясь получить длинные стержни из ВТСП керамики с высоким критическим током. Сложившаяся творческая группа смогла обеспечить полный цикл исследований от синтеза порошка ВТСП фазы до получения изделия и тестирования сверхпроводимости. Как раз в это время в нашем коллективе появился третий ветеран лаборатории Владимир Хрустов – специалист в области твердофазного синтеза. Работали в тесной кооперации с коллегами из Института химии твердого тела: Сергеем Чешницким и Сергеем Лебедевым. Сверхпроводящими тестами занимались молодые ребята из нашей лаборатории Александр Петриченко и Олег Жданок. К великому сожалению все четверо ушли из науки в последующее тяжелое время крутых экономических реформ. Грустное было позже.

В 1991 начали получаться весьма достойные результаты по критическим токам в ВТСП стержнях. Знаменательной датой в этом поиске оказалось 20 августа 1991 г., когда плотность критического тока в образцах достигла рубежа 2000 А/см2. Для начала практического применения этих материалов следовало бы еще раз в 10 увеличить плотность тока. За столь увлекательной работой как большая неожиданность свалились политические события 19-21 августа. Последующие реформы привели к закрытию многих научно-технических программ в стране, в том числе и программы по ВТСП материалам. Технологический поиск в этой области требует значительных финансов, поэтому работы были прекращены в 1992 г., фактически в середине пути. И вернуться к ним, к сожалению, не представилось возможным.

Для меня, и, полагаю, многих наших коллег следующий 1992 год принес обновленное восприятие мира. Как всегда с удивительной своевременностью нашим директоров Геннадием Андреевичем было принято решение провести международную конференцию по сильноточной электронике с большим участием иностранцев. Несмотря на галопирующую инфляцию, конференция на борту теплохода «Владимир Маяковский» прошла с большим успехом. Большая часть научных сотрудников института, в том числе молодежи, приняла в ней участие. Конференция послужила хорошим и злободневным уроком общения и сотрудничества с иностранными учеными. Впереди были годы практически без отечественной поддержки науки, и для успешного развития необходимо было учиться добиваться финансирования по международным проектам и заключать контракты. Год 1992 также ознаменовался для нашей лаборатории сменой тематики исследования. Толчком было предложение Юрия Александровича Котова применить технологические наработки, приобретенные нами при формировании ВТСП, к получению наноструктурных керамик из нанопорошков. До того момента в ИЭФ были разработки по ЭВП нанопорошкам. Развитие работ по магнитно-импульсному прессованию нанопорошков и спеканию позволяло получить в Институте замкнутый технологический цикл. По замыслу полнота цикла исследования должна лучше привлекать партнеров и инвесторов. Первый успех пришел уже в 1993 г. Группа ученых из Карлсруэ (Кернфоршунгсцентрум, Германия), интересующаяся получением керамических нанопорошков посетила институт, и от них поступило предложение заключить контракты на совместные исследования по получению нанопорошков оксидов методом ЭВП и их прессованию магнитно-импульсным методом. В 1995 г. по окончании этих контрактов в Германию были поставлены две соответствующие установки. Успешно начатое сотрудничество с этой группой в области нанотехнологий продолжилось по совместным международным проектам до 1998 г. В этом сотрудничестве мы не только получили прекрасную финансовую возможность развивать наши исследования, но приобрели опыт в организации работ, да и просто положительные элементы западной культуры.

С 1997 г. началось наше сотрудничество с ВНИИТФ, г. Снежинск, где в рамках конверсии развивались исследования по созданию твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Поводом послужило представление совместного проекта в МНТЦ, в рамках которого предстояло отрабатывать наноструктурную керамику кубического диоксида циркония для применения в качестве электролита ТОТЭ. По совместным проектам в 1998 были получены образцы наноструктурного электролита в форме пластин, в 2000 – в форме труб со стенкой 0,5 мм, а в 2005 – в форме труб с рекордно малой толщиной стенки порядка 0,1 мм. Развитие работ по синтезу изделий из наноструктурного электролита в ИЭФ является примером успешной кооперации уже трех лабораторий института: импульсных процессов, квантовой электроники и нашей. Хотя в тот период электрохимические тесты выполнялись внешними коллабораторами, успех в получении высоких характеристик электролита был очевиден, и работы следовало развивать дальше.

Созданный задел в области наноструктурных электролитов позволил нам с 2004 г. активно включиться в инвестиционную программу «Норильского никеля» по разработке топливных элементов. Для этого потребовалось развернуть оборудование и освоить литьевую технологию получения тонких пленок из нанопорошков электролита и создать полную экспериментальную базу для электрохимических испытаний. Исследования в данном направлении успешно развиваются, но рассказывать о них пока рано. С расширением тематики лаборатории в данном направлении наш коллектив значительно вырос. В 2004 г. к нам пришел ведущий ученый-электрохимик с мировым именем Липилин Александр Сергеевич, один из создателей первых электрохимических генераторов на ТОТЭ.

В коллектив лаборатории успешно вписались несколько выпускников нашей базовой кафедры «Электрофизики» Физико-технического факультета УГТУ, в настоящее время уже аспиранты или сотрудники. По моим наблюдениям эти ребята в большинстве представляют уже новое поколение молодых специалистов, заинтересованных в интересной работе и, что немаловажно, в практическом результате исследований. Время студентов-ларечников девяностых годов закончилось, и молодые люди лучше стали осознавать цену добротного образования, позволяющего делать карьеру в интеллектуальной сфере. Когда у молодых людей видишь стремление расти в науке, совершенно становится не жалко личного времени, чтобы обсудить нечто новое и интересное, вместе поработать над статьей. Имея прекрасную молодежь можно с уверенностью размышлять о будущем института.