КОШТОВНОСТІ ДЛЯ HI-TECH

З найдавніших часів люди з задоволенням носять прикраси із сяючого сапфіру. У наш час фахівці знайшли застосування й іншим дивовижним якостям цього коштовного кристала. З кожним роком він стає дедалі більш затребуваним матеріалом на міжнародному ринку високих технологій. За цілою низкою ключових позицій наша країна посідає тут провідні позиції у світі завдяки досягненням фахівців НТК «Інститут монокристалів» НАН України.

На присудження Державної премії 2003 року в галузі науки й техніки висунуто роботу авторського колективу, у який входить НТК «Інститут монокристалів» НАН України (Харків), Інститут фізики НАН України (Київ) й Інститут фізики напівпровідників НАН України (Київ). Вона є завершеним циклом — від проведення наукових досліджень і розробки технологій одержання високоякісних сапфірів до виготовлення виробів із них для оптичної, електронної та медичної індустрії з наступним виходом на світовий ринок.

Й у вогні не горить, і радіації не боїться

Будь-який кристал, зокрема й сапфір, — це передусім найсуворіший порядок. Частинки, із яких він складається, вишикувані симетрично, правильними шеренгами, плоскими сітками, тривимірними решітками, причому кожен вид каменя відрізняється не тільки хімічною формулою, а й малюнком цієї решітки та відстанню між частинками.

Цей порядок молекул надзвичайно важко зруйнувати. Так, сапфір без будь-якої для нього шкоди можна кинути в мартенівську піч, де плавиться найтугоплавкіший метал, занурити в «царську горілку», будь-яку іншу кислоту чи луг і навіть залишити в епіцентрі атомного вибуху. Небагато земних матеріалів спроможні витримати такі екстремальні умови. При цьому за твердістю сапфір поступається лише алмазу, за прозорістю він чемпіон як для видимого світла, так і для ультрафіолетових й інфрачервоних променів. Сюди можна додати ще й високу теплопровідність при низьких температурах і маленькі діелектричні втрати, що так цінуються фахівцями.

Використовувати всі ці надзвичайні властивості в науці й техніці заважало те, що природні кристали не досить великі, часто неоднорідні та й загалом їх мало і вони занадто дорогі. У фахівців давно з’явилася ідея не покладатися на примхи природного процесу й шар за шаром виростити зі спеціально підібраного розплаву потрібний монокристал. Перші штучні сапфіри було синтезовано на початку минулого століття, а до початку нинішнього фахівці навчилися вирощувати монокристали заданої форми, розмірів і властивостей. У результаті ювелірні сапфіри впали в ціні, зате технологічні сапфіри почали дуже цінуватися в різних галузях науки й техніки — в оптиці, оптоелектроніці й медицині.

Від «лампочки Ілліча»
до світильника з сапфіра

Чи знаєте ви, читачу, що незабаром застаріє знайома з дитинства загадка «Висить груша, не можна з’їсти», оскільки звична лампочка розжарювання піде на заслужений відпочинок. За прогнозом фахівців, найближчими роками в наших оселях її витиснуть світлодіоди.

Їхній основний елемент — не вольфрамова нитка в запаяній скляній колбочці, а сапфірова підкладка, на яку нанесено багатошарові електролюмінесцентні структури. Найголовніший їхній «козир» — ефективність. Потужності в 40 Вт вистачить для того, щоб яскраво освітити цілу квартиру. Уявляєте, скільки можна буде заощадити електроенергії! Є також інші переваги: приміром, термін служби такого світлодіода обчислюватиметься не місяцями, як у лампи розжарювання, а роками.

— Власне, кольорові світлодіоди вже використовуються — це навігаційні вогні, маяки, вогні посадкових смуг в аеропортах, пульти управління в літаках, — розповідає член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук В’ячеслав Пузіков. — Існують і придатні для освітлення приміщень білі світлодіоди, але для масового виробництва вони поки що занадто дорогі, тож використовуються переважно в предметах спеціального призначення, приміром, у ручках, якими можна писати в темряві. А світильник «для дому, для сім’ї» замість звичайної лампи розжарювання можна сьогодні купити хіба що в Японії, відомій своїм потягом до технічних новинок. Крім побутових світильників, намічаються й інші привабливі сфери використання світлодіодів із сапфіровою підкладкою — це квантоскопи побутового проекційного телебачення та джерела світла підвищеної яскравості.

Ясна річ, за таких багатообіцяючих перспектив потреба в дешевих великогабаритних сапфірових елементах на світових ринках останніми роками почала стрімко зростати. Спостерігається ажіотажний попит. За оцінками фахівців, обсяг їх виробництва найближчими роками необхідно збільшити в кілька разів.

Одним із центральних завдань авторського колективу НТК «Інститут монокристалів» НАН України (керівник — генеральний директор, академік НАН України Володимир Семиноженко) і стала розробка технології вирощування великих кристалів, що відповідала б світовому рівню за показниками якості й розміру і водночас була б більш економічною, отже й більш конкурентоспроможною. Запропонований харків’янами метод, що не потребує складного й дорогого устаткування і при цьому використовує дешеву вітчизняну сировину, відповідає всім цим вимогам. Нововведення дозволяє використовувати сапфір для масового застосування в HI-TECH.

На дослідно-промисловому виробництві НТК «Інститут монокристалів» налагоджено серійний випуск великогабаритних оптичних елементів. Торік обсяг експорту оптичних сапфірових елементів НТК перевищив 4,5 тонни, а нинішнього року за вже укладеними контрактами очікується понад 6 тонн. Нині НТК «Інститут монокристалів» володіє найбільшим у Європі виробництвом великих кристалів сапфіра.

Кістки з сапфіру — майже як власні

— Як відомо, у медицині як імплантати нині широко використовується метал, — говорить завідуючий відділом, професор Леонід Литвинов. — Проте, на думку медиків, сапфір набагато кращий для живого організму. Він нетоксичний, не викликає змін функцій органів, не змінює характеристики білкового й жирового обміну, не має канцерогенного й мутагенного впливу. Іншими словами, цей кристал біоінертний і біосумісний. Ці важливі властивості відкрили сапфіру шлях як заміннику різноманітного виду кісткової тканини.

Впроваджені розробки вчених і технологів НТК «Інститут монокристалів» забезпечили Україні світовий пріоритет у цій галузі.

— У сапфіру виявилася найкраща відповідність кристалографічних параметрів із кісткової тканиною, де також містяться кристали, тільки біологічні, — пояснює хірург, автор першої в Україні дисертації з щелепно-лицьових сапфірових імплантатів Євген Рябоконь. — Кристал легший від металу, і його можна виготовити точно за зліпком. Коефіцієнти тертя і зносу сапфірових пар наближаються до відповідних значень натурального суглоба. Ми можемо ставити сапфірові фрагменти навіть тричотирирічним дітям, вони приживаються й нормально функціонують.

Нині на базі НТК «Інститут монокристалів» організовано ділянку виробництва сапфірових імплантатів для стоматології, щелепно-лицьової хірургії, ортопедії, пластики хребта, риносептопластики. Вдячні пацієнти з «сапфіровими кісточками» живуть у Києві, Харкові, Донецьку, багатьох інших містах України й за кордоном. А загалом завдяки харківським технологіям нині з 210 кісток людського організму цим коштовним каменем можна замінити вже понад півсотні.

Скальпель для хілера

Що гостріший скальпель, то ймовірніший успіх операції. Гостре лезо дозволяє хірургу докладати менше зусиль для проколювання тканин і їх подальшого розтину, значно зменшити втрату живих клітин. Це знали ще стародавні цілителі, котрі виготовляли леза з відколів обсидіану. Потім обсидіан надовго витиснула сталь, тепер їй на зміну приходить сапфір.

Лезо з цього кристала перевершує метал за всіма найважливішими показниками. Його ріжучий край завтовшки лише 400—500 ангстрем за розмірами можна порівняти із найтоншими волокнами тканини. Це робить такий скальпель менш травматичним від металевого. Як говорять фахівці, «висока якість зробленого розтину дозволяє домогтися кращої герметизації рани з анатомічним з’єднанням країв рани». Як відомо, легендарні хілери з Філіппін стверджують, що їхні маніпуляції практично безкровні, оскільки вони спроможні відокремлювати хворі тканини, мінімально пошкоджуючи навколишні ділянки. Поки про хілерів точаться суперечки, харківські сапфірові скальпелі ще на кілька кроків просунули медиків до безкровної хірургії майбутнього.

Сапфірові леза нітрішки не гірші від тих алмазних, що іноді застосовуються, зате в десятки разів дешевші. Зарубіжні покупці нерідко використовують харківські сапфірові леза як одноразовий інструмент. Якщо вся операція коштує сотні або тисячі доларів, десятьма доларами — стільки коштує сапфірове лезо — можна знехтувати, вважають вони. Зате небезпека інфікування рани, як і при використанні будь-яких одноразових інструментів, різко зменшується.

Основними галузями застосування сапфірових хірургічних інструментів є нині офтальмологія, нейрохірургія, косметологія, ЛОР-хірургія, стоматологія. Слід зазначити, що сапфірові скальпелі випускаються, крім України, тільки в США і Швейцарії, а черевні скальпелі та мікроскальпелі з синього сапфіра — винятково в Україні.

У дискусіях про шляхи розвитку вітчизняної науки нерідко висловлюється думка, що так звана «наздоганяльна» стратегія не раціональна. Стратегія України повинна полягати в випереджаючому розвитку найсучасніших галузей науки й високих технологій. Широко затребувані в світі сапфірові технології НТК «Інститут монокристалів» НАН України — одна з найяскравіших ілюстрацій справедливості цієї тези.