Научная работа

Возникновение нанонауки и плазмометаллургических нанотехнологий в сибирском регионе относится к началу 70-х годов ХХ столетия и связано с именем академика РАН Жукова М.Ф., создавшего на базе Института теплофизики и Института физико-химических основ переработки минерального сырья (ныне Институт химии твердого тела и механохимии) СО АН СССР научную школу плазменных технологий, основными направлениями которой являлись разработка плазмогенераторов различного назначения и плазмометаллургических технологий производства тугоплавких наноматериалов (металлов, оксидов, боридов, карбидов, карбонитридов и их композиций), подготовка высококвалифицированных научно-педагогических кадров для институтов СО АН СССР и сибирских вузов. В рамках КНТП государственного значения «Сибирь» осуществлялось тесное научно-практическое взаимодействие с сибирскими вузами: Сибирским металлургическим, Томским инженерно-строительным, Омским политехническим, Красноярскими институтами политехническим и цветных металлов (ныне технические и технологические университеты), впоследствии создавшими собственные научные школы и профильные научно-технологические центры.

Созданная М.Ф. Жуковым научная школа плазмодинамики пользуется известностью как среди российских, так и у зарубежных исследователей. М.Ф. Жуков один из первых провел комплексные экспериментальные исследования генераторов низкотемпературной плазмы. Совместно с учениками им впервые изучен и описан ряд фундаментальных физических процессов в электродуговой плазме, разработана универсальная система критериев подобия и дана оценка их значимости в специфических условиях горения дуги, создана теория горения дуги в ламинарном потоке. Развитый инженерный метод расчета электрических и тепловых характеристик генераторов электродуговой плазмы нашел широкое применение при разработке опытных и промышленных аппаратов. Созданные под руководством М.Ф. Жукова мощные высокоэнтальпийные электродуговые генераторы плазмы с межэлектродными вставками, как и другие схемные конструкции, нашли широкое применение в плазмохимических технологиях. Большие успехи достигнуты и в получении нанодисперсных порошков тугоплавких соединений в плазмохимических реакторах и их использовании, в частности, в металлургии для существенного улучшения физико-механических характеристик черных и цветных металлов и сплавов.

В условиях нашего университета (в то время металлургического института) зарождение плазмонаучного технологического направления во многом связано с именем ректора, профессора Н.В. Толстогузова, который всегда проявлял значительный интерес к новым разработкам в области высокотемпературного нагрева и новых технологий получения металлов, сплавов и неметаллических материалов.

По его инициативе в научную школу Жукова М.Ф. были направлены для обучения в аспирантуре выпускники кафедры электрометаллургии Гаврилко В.П. (1970 г.), Галевский Г.В. (1974 г.), Крутский Ю.Л. (1974 г.), по окончании аспирантуры вернувшиеся в институт, защитившие впоследствии кандидатские диссертации и посвятившие себя преподавательской и научной работе.

Самостоятельные научные исследования начались в 1977 г. Было смонтировано необходимое для экспериментальных исследований плазменное оборудование и сформирована приборно-аналитическая инфраструктура. Основным научным направлением являлся плазменный синтез сверхтвердых, тугоплавких, жаропрочных и жаростойких соединений переходных металлов с бором, углеродом, азотом. Это научное направление остается основным и до сих пор. По результатам исследований защищено 5 докторских и 10 кандидатских диссертаций.

Таким образом, научная школа в течение 35 лет специализируется на разработке и освоении технологии плазмометаллургического синтеза наноматериалов со специальными свойствами. В рамках научной школы реализуются следующие основные направления деятельности: развитие теории и технологии плазмометаллургического производства наноматериалов; разработка, проектирование и совершенствование плазмотехнологического оборудования; проектирование плазмометаллургических производств; производство наноматериалов; введение в обращение наноматериалов для гальваники, конструкционной керамики, суспензионного модифицирования и других областей; подготовка инженерных и научно-педагогических кадров; научно-техническая пропаганда достижений в области нанотехнологий и издательская деятельность.

Основными достижениями научной школы являются:

1)       Разработан, создан и тиражирован промышленный комплекс плазмотехнологического оборудования на основе трехструйного прямоточного реактора мощностью 150 кВт.

2)       Разработана двухстадийная технология плазмометаллургического производства нанокарбидов и наноборидов, включающая плазменный синтез (модифицирование) и последующее комплексное рафинирование, обеспечивающая получение наноматериалов мирового уровня качества.

3)       Разработаны и внедрены новые высокоэффективные технологические процессы в гальванике, керамике, в поверхностном и объемном модифицировании сплавов и полимеров с использованием тугоплавких нанокарбидов, наноборидов и их композиций.

4)       Разработан программный комплекс для решения проектно-технологических задач в плазмометаллургическом производстве нанокарбидов и наноборидов, обеспечивающий выполнение многовариантных исследовательских и инженерных расчетов параметров реактора и эффективной переработки сырья.

5)       Результаты исследований обобщены в 10 монографиях и 30 выпусках (с 1994 г. по н.в.) сборника научных трудов «Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. Раздел «Порошковая металлургия и композиционные материалы». 5-ти томное научное издание (монография) «Наноматериалы и нанотехнологии в производстве карбида кремния» и 2-х томное научное издание (монография) «Плазмометаллургические технологии в производстве боридов и карбидов хрома» рекомендованы Национальной ассоциацией наноиндустрии к использованию в региональных нанотехнологических центрах России.

6)       Результаты исследований опубликованы в 20-ти томном сериале «Низкотемпературная плазма», изданного по инициативе и под редакцией М.Ф. Жукова.

7)       Результаты исследований защищены 35 свидетельствами и патентами РФ.

8)       Научно-технологические разработки удостоены медалей всех уровней ВДНХ и ВВЦ.

Руководители научной школы: к.х.н., профессор Кулагин Н.М., д.х.н., профессор Горюшкин В.Ф.

В нашем понимании – научно-педагогическая школа – коллектив учёных-единомышленников, которые плодотворно работают по темам самостоятельно выбранного научного направления и при этом совершенствуются в методике, постоянно модернизируют лабораторную базу, обучают студентов и аспирантов навыкам и методам исследований, обеспечивая таким образом развитие, преемственность и высокое качество научной продукции.

В СССР в те годы происходил рост научных исследований: за счёт государственных бюджетных средств модернизировалось и ввозилось из-за рубежа новое научное оборудование; стали широко внедряться вычислительные машины; молодёжь охотно шла в науку, социалистические промышленные предприятия заключали договоры с институтами, что также способствовало развитию прикладных научных исследований. Редкоземельные металлы (РЗМ), в число которых входят и лантаниды, рассматривались как перспективные материалы для практического применения в качестве легирующих добавок в сталь и чугун, компонентов жаростойких покрытий, катализаторов, сплавов-сорбентов водорода, постоянных магнитов и многого другого. В СМИ сплавы с РЗМ стали изучать Бурылёв Б.П., Баянов А.П. и другие, но галогениды РЗМ не изучал никто. Д.М. Лаптев из базы термодинамических свойств галогенидов лантаноидов рассчитывал получить новые данные для развития статистико-термодинамической модели ионных расплавов. На первом этапе было решено изучать хлориды лантаноидов с устойчивыми соединениями в разных степенях окисления (II и III). Такая тема относилась к разряду фундаментальных.

Необходимо отметить, что лаборатория по изучению термодинамических свойств галогенидов лантаноидов возникла в СМИ практически из ничего. Но в сжатые сроки (3-5 лет) появились стабильно работающие вакуумные установки для измерения ЭДС твёрдофазных гальванических элементов, приборы для ДТА – измерений, измерения электропроводности расплавов, установки для синтеза высокочистых безводных хлоридов лантанидов и вспомогательное оборудование: боксы из нержавеющей стали и органического стекла для работы с веществами в инертной атмосфере, современные весы, вакуумметры, потенциометры и другая измерительная техника.  Приобретались дефицитные расходные материалы: вакуумные масла, замазки, резина; кварцевое, пирексовое и молибденовое стекло высшего качества; оксиды лантаноидов и металлические лантаноиды; нихромовая проволока; молибденовые, танталовые и вольфрамовые стержни и многое другое. В современных ценах такие затраты выражаются  десятками миллионов рублей.

Большой вклад в становление материальной базы для исследований внесли: сам Д.М. Лаптев, который часть средств, заработанных при выполнении хоздоговорных работ по металлургической тематике, неизменно направлял на приобретение оборудования и материалов; аспиранты: Кулагин Н.М. (уже имел опыт научной работы), Подсевалов В.П., Горюшкин В.Ф., Пошевнева А.И.; зав. лабораториями Дзензель В.С.; мастер – стеклодув Емельянов В.С., который на протяжении многих лет (вплоть до 2009 г.) виртуозно выполнял все заказы по созданию уникальных кварцевых ячеек для изучения высокотемпературных физико-химических свойств расплавленных солей галогенидов РЗМ и их смесей и реально способствовал осуществлению научных исследований.

Важную роль сыграло подключение к работам «группы Лаптева» зав. рентгеновской лабораторией И.С. Астаховой, имеющей к тому времени опыт научной работы в академическом институте в г. Москве.

Были совместно преодолены многие экспериментальные трудности. В итоге появились печатные работы в журналах Академии наук СССР и защиты кандидатских диссертаций по специальности «физическая химия»: Горюшкин В.Ф. – 1978г., ИВТ АН СССР, г. Москва; Кулагин Н.М. – 1978г., УрНЦ АН СССР, г. Свердловск; Кулагина Н.Г. – 1980г., Институт химии УрНЦ АН СССР, г. Свердловск; Пошевнева А.И. – 1985г., Воронежский государственный университет, г. Воронеж. Часть из полученных термодинамических свойств хлоридов лантаноидов была включена в вышедший в 1978г. восьмой выпуск справочника «Термические константы веществ» издаваемого под редакцией академика В.П. Глушко.

География защит кандидатских диссертаций  свидетельствует об известности и признании работ, которые, в дальнейшем, были ещё расширены и получили определённый импульс за счёт заключения договоров с научными и учебными учреждениями Москвы (ИВТ РАН, ИОНХ РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова), Екатеринбурга (ИЭ УрО РАН) и появления новых, молодых аспирантов: Киселёвой Т.В. (защита 1988г., Екатеринбург, ИЭ УрО РАН), Лежава С.А. (защита 1992г., Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова). К работам по определению термодинамических свойств твёрдых хлоридов РЗМ подключился доцент к.т.н. Васильев В.В.

 Не будет преувеличением написать, что разработанные и внедрённые в СибГИУ малотоннажные технологии получения высокочистых безводных хлоридов, бромидов и иодидов лантаноидов, иттрия и скандия, с предоставлением охарактеризованных образцов для исследования в ряд других научных учреждений России, способствовали развитию фундаментальной химии и термодинамики галогенидов РЗМ (около 50 работ в соавторстве с учёными г. Москвы, г. Иваново в 80-е и 90-е годы).

На базе собственных и литературных экспериментальных данных в СибГИУ была создана система взаимно согласованных величин стандартных энтальпий образования и стандартных энтропий кристаллических три- и дихлоридов лантаноидов. В широких температурном и концентрационном интервалах исследованы кондуктометрические свойства расплавов LnCl3 – (KCl - NaCl), где Ln = La, Ce, Pr, Nd,  Sm, Eu, Gd, Tb. Изучены закономерности в физико-химических и термодинамических свойствах три- и дихлоридов лантаноидов как функций порядкового номера и дана полуэмпирическая интерпретация этих закономерностей.

Н.М  Кулагин в 1992г. получил учёное звание профессора, будучи, к тому времени, ректором СибГИУ. В 1996г докторскую диссертацию защитил Д.М. Лаптев (г., Екатеринбург, ИЭ УрО РАН), а в 1998г. – Горюшкин В.Ф. (г. Кемерово, КемГУ).

В 90-е годы в развитых странах мира произошли очередная смена научного оборудования и скачок в развитии фундаментальных и прикладных исследований, а в России началась перестройка экономической и общественно-политической формации, что, безусловно, отрицательно сказалось на функционировании науки в целом и научно-педагогических коллективов. Д.М. Лаптев ушёл из жизни в феврале 2004г. Были и другие потери…

Но мы поддерживаем свою научную тематику по лантаноидам, которой были преданы долгие годы. В 2006г. асп. Горюшкиной Ю.В. в диссертационном совете химического факультета МГУ им М.В. Ломоносова защищена кандидатская диссертация на тему: «Термохимические свойства галогенидов празеодима и ряда соединений лантаноидов (Pr, Nd, Sm, Dy, Ho) в системах с перспективными функциональными свойствами» (Руководитель: в.н.с. МГУ, к.х.н. Монаенкова А.С.).