Фотонные суперкомпьютеры и замороженные ядерные отходы: химик Георгий Шахгильдян — о необычном использовании и будущем стекла

— Что означает слово «ситаллы» в названии вашей должности?

— Само слово «ситалл» — это сокращение от слов «стекло» и «кристалл». Еще можно говорить «стеклокристаллический материал». На английском языке его называют glass-ceramics, в дословном переводе — «стеклокерамика». Но есть разница в технологии получения стеклокерамики и ситаллов. Стеклокерамику получают, как и обычную керамику, спеканием суспензии частиц, например глины. Частицы должны не просто спечься друг с другом, но сильно расплавиться, то есть образовать между собой жидкую фазу расплава, которая после охлаждения материала превратится в стеклофазу.

Однако мы, ученые и инженеры, работающие в первую очередь со стеклом, смотрим по-другому на ситаллы, у нас свой — «стекольный» — взгляд. Для получения ситаллов используется классическая технология производства стекла: берем сырьевые материалы (самый известный из них — песок), добавляем другие компоненты, в числе которых сода и мел, помещаем смесь в печь и нагреваем. Это похоже на то, как варят борщ. Сильно нагретые порошки превращаются в расплав, жидкость — это и есть стекломасса. Дальше мы ее охлаждаем, получается обычное стекло. Ему придают нужную форму и делают все стеклянные изделия, что нас окружают.

Но если стекло нагревать вторично, уже не при такой высокой температуре, а в два-три раза меньшей, пойдет процесс кристаллизации. В стекле начнут зарождаться и расти кристаллики, сначала наноразмерные, потом микроразмерные и т. д.

Вот это стекло с выращенными внутри кристаллами мы и называем ситаллами.

— Для чего они применяются?

— Ситаллы дают стеклу дополнительные свойства — например, оно становится более термостойким. Самый распространенный бытовой пример применения ситалла — индукционные кухонные плиты со специальным покрытием, которые очень быстро и резко нагреваются. Более редкое применение — в астрономии. Ситалл используют для зеркал телескопов, которые ставят в местах с резкими перепадами температур, обычно в горах.

Помимо термостойкости, у него есть много других свойств. Некоторые производители техники, например Apple, заявляют, что современные айфоны покрыты не стеклом, а ситаллом, то есть они прочнее и не царапаются.

— А почему вы говорите «заявляют»? Вы не доверяете производителю?

— Они не раскрывают подробности создания экранов Ceramic Shields, поэтому мы пока не уверены на 100%, что это действительно так. Ждем, когда всё расскажут.

— Об основателе вашей кафедры Исааке Ильиче Китайгородском вы говорите, что он «переизобрел стекло». В каком смысле переизобрел?

— Исаак Ильич как раз был одним из изобретателей ситаллов. Как класс материалов они появились в первой половине XX века. До этого люди, конечно, знали, что стекло кристаллизуется, но это считалось дефектом. И вот в СССР Исаак Ильич Китайгородский, а в Америке ученый Дональд Стуки, независимо друг от друга, практически в один год, предложили концепцию направленной кристаллизации для наделения стекол новыми свойствами. Поэтому в каком-то смысле он его переизобрел, то есть дал стеклу новую жизнь.

Помимо этого, он изобрел новые технологии и в производстве обычного стекла. Это технологии бронестекол, когда несколько листов стекла склеиваются друг с другом и они становятся непробиваемыми.

Еще он предложил новый способ окрашивания стекол.

Стеклу очень трудно придать красный цвет. Есть не так много компонентов, которые на это способны. Один из них — золото, но с ним получается безумно дорого.

В Советском Союзе стояла задача сделать рубиновые кремлевские звезды. Стекло должно было быть не только насыщенного красного цвета, но еще и прозрачным, чтобы пропускать свет, потому что внутри звезд установлены лампы, которые включаются по ночам, поэтому они так ярко горят. Исаак Ильич предложил окрашивание с помощью сульфидов и селенидов кадмия, благодаря которым стеклу удалось придать глубокий красный цвет. Это было декоративное применение, но после технология стала использоваться для создания светофильтров в оптических приборах.

Еще одно из его важных изобретений — это пеностекло. Это технология, похожая на выпекание теста на дрожжах. Смешивают порошок силикатного стекла и добавляют «дрожжи», то есть сульфаты, которые при нагревании выделяют много газа. В итоге получается расплавленная масса с высокой пористостью. Пеностекло активно используется в качестве теплоизоляции в строительстве. А еще его используют в строительстве дорог, чтобы снижать перепады температур и дольше сохранять асфальтовое покрытие.

— Зачем нам в XXI веке изучать стекло? Оно ведь существует так давно, разве мы чего-то о нем не знаем?

— Просто изучать стекло, наверное, уже действительно бессмысленно. Можно изучать аспекты экологического характера — как лучше его перерабатывать или утилизировать. Но дело в том, что под стеклом понимается также стеклообразное состояние вещества.

Почти всё в мире, что можно получить в кристаллическом виде, можно получить и в стеклообразном. Даже вода может быть стеклообразной, или аморфной, приобретая при этом интересные свойства.

А самое главное, что она имеет свои применения, например в криомикроскопии, когда нужно изучить отдельные клетки. Если их заморозить в обычном льде, кристаллики повредят мембраны клетки, поэтому их замораживают в аморфном льде.

Зачем изучать стекло в XXI веке? Чтобы изучать возможности всей таблицы Менделеева! Всё, что можно потрогать руками, можно использовать для создания новых стекол.

Сегодня существует множество групп стекол, которые 20, 30 или 50 лет назад не были известны, и люди не думали, что их вообще можно получить. Например, металлические стекла, намного более упругие по сравнению с обычными сплавами. Есть большой класс халькогенидных стекол, которые обладают свойствами полупроводников. Важно, что такие стекла прозрачны в инфракрасном диапазоне, поэтому на их основе сейчас активно разрабатываются различные материалы для лазерной оптики, сенсоров и детекторов химических веществ, для новых методов оптической связи.

— Я прочитала на вашем сайте, что существует стекло, которое помогает выращивать новые ткани в организме. Как это возможно?

— Это как раз один из новых видов стекол, так называемое биостекло. В его составе содержатся химические компоненты, которые близки нашему организму, например кальций, фосфор. Если мы помещаем рядом с поврежденной костью кусочек биостекла, то оно постепенно растворяется, высвобождая химические компоненты. А затем клетки-ремонтники на их основе начинают достраивать клетки костной ткани.

— Это реальная технология, которая сегодня применяется?

— Да. Правда, у нас пока нет собственного производства биостекол. Но у нас есть другая технология, разработанная на нашей кафедре в РХТУ. Это тоже биостекла, но другого формата. Их используют не для восстановления биотканей, а для лечения онкологических заболеваний, в том числе рака печени.

Специальные стеклянные шарики размером в 20–30 микрометров (тоньше человеческого волоса) в небольшом количестве помещают рядом с опухолью, и они работают, как маленькие Wi-Fi-роутеры, только излучают радиацию и разрушают раковые клетки.

— По сути, это радиотерапия?

— Подвид, да. Можно назвать ее адресной радиотерапией. Облучают не весь организм, а через артерию запускают с током крови шарики, и они застревают в сосудах рядом с опухолью. По сути, радиация внутри человека. Но она слабая. Ее достаточно, чтобы попасть в ближайшие клетки, но дальше по организму она не распространяется.

Технология была изначально разработана в США, сейчас она применяется во многих странах мира, но контролируется одной компанией. Благодаря усилиям нашего заведующего кафедрой профессора Сигаева и команде кафедры в России есть собственная технология производства таких стеклянных микрошариков.

Сегодня в России врачи начинают внедрять эту технологию. Например, в Обниске проводят операции по радиоэмболизации рака печени. Это очень перспективное направление, которое может значительно улучшить эффективность лечения и качество жизни пациентов.

— Процитирую название ролика на вашем сайте, сразу привлекающее внимание: «Как сохранить данные на миллиарды лет и при чем здесь стекло?». Как вообще что-то сохранить на миллиард лет?

— Над этим вопросом ученые в разных странах и на нашей кафедре в том числе как раз работают. Идея в том, чтобы создать технологии записи и хранения информации, которую нельзя будет физически удалить.

Можно разрушить жесткий диск, он может размагнититься. Понятное дело, что всё можно кувалдой разбить. Но если без кувалды, то самая стабильная среда, в которой человечество научилось записывать информацию, — это глиняные таблички.

Шумеры тысячи лет назад делали клинопись, а она до сих пор сохранилась. Примерно это ученые и делают, только хотят записывать уже закодированную цифровую информацию с помощью лазеров. А вместо глиняных табличек оптическая, то есть прозрачная среда. На ее роль есть два кандидата: стекла, обладающие высокой стабильностью, либо еще более прочные алмазы. Внутри материалов создают наноразмерные дефекты, которые станут точками хранения данных.

— Есть ли какие-то еще необычные способы применения стекла, которые неизвестны большинству людей?

— Существует технология витрификации, от латинского vitrum — «стекло», мы еще называем ее «остекловывание». Идея в том, чтобы жидкие ядерные отходы добавлять во время варки стекла в расплав. Потом всё это вместе охлаждается. А охлаждение в каком-то смысле — это заморозка. Нестабильные химические элементы как бы заморожены в структуре стекла.

Обычно жидкие ядерные отходы хранят в баках, которые со временем корродируют, и тогда отходы постепенно начнут просачиваться в почву. А в виде стекла они словно бы заморожены в самой структуре материала.

— Это тоже рабочая технология?

— Да, ее изобрели довольно давно, более шестидесяти лет назад. Этой технологией активно пользуются, не повсеместно, но много где. В России, Америке, Европе, Китае.

— А где потом хранят ядерное стекло?

— Получаются стеклянные блоки в виде цилиндров, которые помещают в специальные стальные емкости. А их уже хранят в подземных бункерах. Тут важно, что стекло очень химически стойкое, хотя внутри него радиоактивные отходы. Но отходы заключены в крепкой «тюрьме» из стекла и не будут вымываться из нее.

— «Тюрьма для радиоактивных отходов» — классно звучит с точки зрения экологии. Все радиоактивные отходы — в тюрьму!

— Правда, это как настоящая темница для них. Отходы заключены в стекло навсегда.

— Делаются ли сегодня какие-то существенные открытия в вашей области, которые серьезно продвинут науку и технологии?

— Существенное, в моем представлении, переворачивает жизнь. Вот появится технология производства сверхпроводника, который работает при комнатной температуре, — это изменит жизнь. За последние несколько лет были прорывы, например в геномных направлениях, но в области материалов — нет. Но в нашей области таких задач, честно сказать, не стоит. Просто мы двигаемся планомерно вперед, создаем стекла с лучшими свойствами, более прочные или обладающие интересными спектрально-люминесцентными свойствами.

— Каковы перспективы вашей сферы в будущем? Как может измениться наша жизнь, допустим, через 50 лет с помощью технологий, которые могут появиться?

— Я думаю, может измениться образ того, как проводят вычисления. А также способы обработки и хранения информации, о чем мы с вами говорили. Может измениться область, которую называют фотоникой, то есть оперирование светом, сигналами на основе фотонов — квантов света. Вот там активно используются оптические материалы, в том числе стекла.

Внутри стекол теоретически можно формировать что-то наподобие микросхем, по которым обычно «бегают» электроны. Только уже не для электронов, а для фотонов. Это может стать элементной базой, маленькими частями оптического или фотонного компьютера. Если что-то изменит нашу жизнь, то это оптические и фотонные вычисления.

Я не уверен, что через 50 лет или вообще когда-нибудь он будет доступен так, как обычный персональный компьютер, да и вряд ли он будет для этого нужен, у него будут другие задачи. Но, скорее всего, человечество приблизится к созданию оптических вычислений, когда какие-то задачи — например, обработки информации или задачи, связанные с обучением нейросетей, — будут решаться с применением оптических сигналов. Для этого нужны совместные исследования физиков, информатиков и нас, стекольщиков-материаловедов.

Новые стекла или материалы на их основе могут стать составными частями таких схем. Скорее всего, это будет выглядеть как лазерные установки, оптические схемы, собранные компактно. Сейчас такие работы, связанные с фотонными вычислениями, занимают целые лаборатории: стоит большой оптический стол, на котором много всяких линз и призм, крупные лазерные системы, оборудование для анализа оптических сигналов. А через 50 лет, возможно, это превратится в небольшие приборы, внутри которых всё компактно собрано. И такие приборы смогут быстро решать очень сложные задачи обработки информации.

— То есть в будущем благодаря «стекольщикам» нас в основном ожидают новые способы записи и хранения информации?

— Среди прочего. Новые способы записи и хранения информации не изменят нашу жизнь радикально. Самое важное тут — это обработка данных.

На то, чтобы сегодня обработать такой массив информации, как модели Chat GPT, потребуется несколько лет. А с использованием другого типа вычислений, то есть не на известных нам сегодня полупроводниковых процессорах, а с использованием оптических схем, на это уйдет, может быть, всего один день.