ДРАГОЦЕННОСТИ ДЛЯ HI-TECH

С древнейших времен люди с удовольствием носят украшения из сверкающего сапфира. В наше время специалисты нашли применение и другим чудесным качествам этого драгоценного кристалла. С каждым годом он становится все более востребованным материалом на международном рынке высоких технологий. По целому ряду ключевых позиций наша страна занимает здесь ведущие позиции в мире благодаря достижениям специалистов НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины.

На присуждение Государственной премии 2003 года в области науки и техники выдвинута работа авторского коллектива, в который входит НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины (Харьков), Институт физики НАН Украины (Киев) и «Институт физики полупроводников НАН Украины (Киев). Она представляет собой законченный цикл — от проведения научных исследований и разработки технологий получения высококачественных сапфиров до изготовления изделий из них для оптической, электронной и медицинской индустрии с последующим выходом на мировой рынок.

И в огне не горит, и радиации не боится

Любой кристалл, в том числе и сапфир, — это в первую очередь строжайший порядок. Частицы, из которых он состоит, выстроены симметрично, правильными шеренгами, плоскими сетками, трехмерными решетками, причем каждый вид камня отличается не только химической формулой, но и рисунком этой решетки и расстоянием между частицами.

Этот строй молекул чрезвычайно трудно разрушить. Так, сапфир без всякого для него вреда можно бросить в мартеновскую печь, где плавится самый тугоплавкий металл, погрузить в «царскую водку», любую другую кислоту или щелочь и даже оставить в эпицентре атомного взрыва. Немного земных материалов могут выдержать такие экстремальные условия. При этом по твердости сапфир уступает только алмазу, по прозрачности он чемпион как для видимого света, так и для ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Сюда можно еще добавить ценимые специалистами высокую теплопроводность при низких температурах и маленькие диэлектрические потери.

Использовать все эти замечательные свойства в науке и технике мешало то, что естественные кристаллы недостаточно крупны, часто неоднородны да и вообще их мало и они слишком дороги. У специалистов давно появилась идея не полагаться на капризы природного процесса и слой за слоем вырастить из специально подобранного расплава нужный монокристалл. Первые искусственные сапфиры были синтезированы в начале прошлого века, а к началу нынешнего специалисты научились выращивать монокристаллы заданной формы, размеров и свойств. В результате ювелирные сапфиры снизились в цене, зато технологические сапфиры стали весьма цениться в различных отраслях науки и техники — в оптике, оптоэлектронике и медицине.

От «лампочки Ильича» к светильнику
из сапфира

Знаете ли вы, читатель, что скоро устареет знакомая с детства загадка «Висит груша, нельзя скушать», поскольку привычная лампочка накаливания уйдет на заслуженный отдых. По прогнозу специалистов, в ближайшие годы в наших домах ее вытеснят светодиоды.

Их основной элемент — не вольфрамовая нить в запаянной стеклянной колбочке, а сапфировая подложка, на которую нанесены многослойные электролюминесцентные структуры. Самый главный их «козырь» — эффективность. Мощности в 40 ватт будет достаточно для того, чтобы ярко осветить целую квартиру. Представляете, сколько можно будет сэкономить электроэнергии! Есть и другие достоинства: например, срок службы такого светодиода будет исчисляться не месяцами, как у лампы накаливания, а годами.

— Собственно говоря, цветные светодиоды уже используются — это навигационные огни, маяки, огни посадочных полос в аэропортах, пульты управления в самолетах, — рассказывает член-корреспондент НАН Украины, доктор физико-математических наук Вячеслав Пузиков. — Существуют и пригодные для освещения помещений белые светодиоды, но для массового производства они пока слишком дороги и употребляются в основном в предметах специального назначения, например в ручках, которыми можно писать в темноте. А светильник «для дома, для семьи» вместо обычной лампы накаливания можно сейчас купить разве что в Японии, известной своей тягой к техническим новинкам. Помимо бытовых светильников, намечаются и другие заманчивые сферы использования светодиодов с сапфировой подложкой — это квантоскопы бытового проекционного телевидения и источники света повышенной яркости.

Понятно, что при таких многообещающих перспективах потребность в дешевых крупногабаритных сапфировых элементах на мировых рынках в последние годы начала стремительно расти. Налицо ажиотажный спрос. По оценкам специалистов, объем их производства в ближайшие годы необходимо увеличить в несколько раз.

Одной из центральных задач авторского коллектива НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины (руководитель — генеральный директор, академик НАН Украины Владимир Семиноженко) и стала разработка технологии выращивания больших кристаллов, которая соответствовала бы мировому уровню по показателям качества и размера и в то же время была более экономичной, а значит, и более конкурентоспособной. Предложенный харьковчанами метод, не требующий сложного и дорогого оснащения и при этом использующий дешевое отечественное сырье, отвечает всем этим требованиям. Новшество как раз и дает возможность использовать сапфир для массового применения в HI-TECH.

На опытно-промышленном производстве НТК «Институт монокристаллов» был налажен серийный выпуск крупногабаритных оптических элементов. В прошлом году объем экспорта оптических сапфировых элементов НТК составил свыше 4,5 тонны, а в нынешнем году по уже имеющимся контрактам ожидается более 6 тонн. Сейчас НТК «Институт монокристаллов» владеет наибольшим в Европе производством крупных кристаллов сапфира.

Кости из сапфира — почти как собственные

— Как известно, в медицине в качестве имплантантов ныне широко используется металл, — говорит заведующий отделом, профессор Леонид Литвинов. — Однако, по мнению медиков, сапфир гораздо предпочтительнее для живого организма. Он нетоксичен, не вызывает изменений функций органов, не меняет характеристики белкового и жирового обмена, не оказывает канцерогенного и мутагенного воздействия. Другими словами, этот кристалл биоинертен и биосовместим. Эти важные свойства открыли сапфиру дорогу в качестве заменителя различного вида костной ткани.

Внедренные разработки ученых и технологов НТК «Институт монокристаллов» обеспечили Украине мировой приоритет в этой области.

— У сапфира оказалась наилучшая сходимость кристаллографических параметров с костной тканью, где тоже содержатся кристаллы, только биологические, — объясняет хирург, автор первой в Украине диссертации по челюстно-лицевым сапфировым имплантатам Евгений Рябоконь. — Кристалл легче металла, и его можно изготовить точно по слепку. Коэффициенты трения и износа сапфировых пар приближаются к соответствующим значениям для натурального сустава. Мы можем ставить сапфировые фрагменты даже трех-четырехлетним детям, они приживаются и нормально функционируют.

Сейчас на базе НТК «Институт монокристаллов» организован участок для производства сапфировых имплантатов для стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, ортопедии, пластики позвоночника, риносептопластики. Благодарные пациенты с «сапфировыми косточками» живут сейчас в Киеве, Харькове, Донецке, многих других городах Украины и за рубежом. А в общем благодаря харьковским технологиям сейчас из 210 костей человеческого организма этим драгоценным камнем можно заменить уже более полусотни.

Скальпель для хилера

Чем острее скальпель, тем более вероятен успех операции. Острое лезвие дает возможность хирургу прилагать меньшее усилие для прокалывания тканей и их дальнейшего разреза, значительно уменьшить потерю живых клеток. Это знали еще древние целители, изготавливавшие лезвия из сколов обсидиана. Затем обсидиан надолго вытеснила сталь, теперь ей на смену приходит сапфир.

Лезвие из этого кристалла превосходит металл по всем важнейшим показателям. Его режущая кромка толщиной всего 400—500 ангстрем соизмерима по размерам с самыми тонкими волокнами ткани, что делает такой скальпель менее травматичным, чем металлический. Как говорят специалисты, «высокое качество произведенного разреза позволяет добиться лучшей герметизации раны с анатомическим сопоставлением раневых краев». Как известно, легендарные хилеры с Филиппин утверждают, что их манипуляции практически бескровны, поскольку они обладают способностью отделять больные ткани, минимально повреждая окружающие участки. Пока о хилерах идут споры, харьковские сапфировые скальпели еще на несколько шагов продвинули медиков к бескровной хирургии будущего.

Сапфировые лезвия ничуть не хуже иногда применяемых алмазных, зато в десятки раз дешевле. Зарубежные покупатели нередко используют харьковские сапфировые лезвия в качестве одноразового инструмента. Если вся операция стоит сотни или тысячи долларов, десятью долларами — столько стоит сапфировое лезвие — можно пренебречь, считают они. Зато опасность инфицирования раны, как и при использовании любых одноразовых инструментов, резко уменьшается.

Основными областями применения сапфировых хирургических инструментов являются сейчас офтальмология, нейрохирургия, косметология, ЛОР-хирургия, стоматология. Стоит заметить, что сапфировые скальпели выпускаются, кроме Украины, только в США и Швейцарии, а брюшистые скальпели и микроскальпели из синего сапфира — и вовсе только в Украине.

В дискуссиях о путях развития отечественной науки нередко высказывается мнение, что так называемая «догоняющая» стратегия нерациональна. Стратегия Украины должна заключаться в опережающем развитии наиболее современных областей науки и высоких технологий. Широко востребованные в мире сапфировые технологии НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины — одна из самых ярких иллюстраций справедливости этого тезиса.