Сергей Макаров. О работе в нанотехнологической лаборатории и перовските

Старший научный сотрудник университета ИТМО, заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники

– Что такое нанофотоника и чем она отличается от обычной фотоники?
– Оптика и фотоника известны еще со средних веков. Тогда были установлены первые оптические зависимости, эффект радуги и т.д. Но если зажать свет в масштабы меньше фотона, это будет уже нанофотоника, у которой появится куча новых вопросов.

– Чем занимается ваша лаборатория?
– Наша лаборатория была сформирована чуть больше года назад благодаря получению крупного гранта на новое перспективное направление исследований, связанное с использованием таких новых материалов как органонеорганические перовскиты для широкого класса задач. В первую очередь нас интересует создание высокоэффективных и дешевых светодиодов, солнечных батарей, а также микролазеров на основе этих материалов для интеграции в оптические чипы, которые в будущем могут быть использованы в оптических компьютерах.

– Что такое перовскит?
– Это материал, название которого происходит от фамилии Перовский. Его первооткрыватель, немецкий ученый, назвал материал в честь своего покровителя, министра Российской Империи, графа Льва Алексеевича Перовского.

– Для чего используется этот материал?
– Он может быть использован для разных целей. Например, долгие годы на рынке солнечных батарей доминировала технология на основе кремния, но сейчас заговорили о перовскитной революции в области солнечной энергетики.
Кремниевые батареи, которые стоят на домах, в калькуляторах, светофорах, относительно дешевые и более-менее рентабельны по эффективности. Однако в начале 2010-х обнаружили, что эффективность перовскита сопоставима с привычными кремниевыми солнечными батареями, а стоимость — гораздо ниже.
Мы в лаборатории стараемся улучшить батареи на основе перовскита, добавляя в него наночастицы. Они помогают захватывать еще больше света и преобразовывать его в электроны.
Но перовскит может не только преобразовывать свет в ток, но и ток — в свет. Поэтому мы также разрабатываем светодиоды на его основе. А затем можно будет пойти еще дальше и создать устройство, которое одновременно будет и светодиодом, и солнечной батареей. Днем оно будет заряжаться, а ночью — светить.

– Вы упоминали, что в будущем ваши разработки могут быть использованы при создании оптических компьютеров. Для чего нужны такие компьютеры?
– Сейчас мы используем полупроводниковые компьютеры, в которых модуляция сигнала происходит электрическим образом. Но для электроники есть фундаментальный предел — скорость срабатывания данных устройств, и мы в этот предел уже уперлись. Чтобы устройства работали еще быстрее, можно перейти, например, на оптические устройства, где эти ограничения гораздо ниже.

– В вашей области есть пока что неразрешенные проблемы?
– Главная проблема — это стабильность материалов. Как только они будут стабилизированы, мы сможем выйти на рынок.

– Сколько человек работает в лаборатории?
– В лаборатории трудится 15 человек. Это студенты, аспиранты, молодые кандидаты наук. Кроме того, мы активно сотрудничаем с множеством лабораторий из разных стран — Австралии, Италии, США, Германии, Финляндии, Китая.

– Как распределены обязанности между сотрудниками?
– Когда мы получаем грант, мы даем некое обещание фонду, его выдавшему. К примеру, что мы через два года создадим перестраиваемый нанолазер из перовскита. Соответственно, мы планируем нашу работу на два года вперед и собираем команду. У каждого участника свои компетенции: физики-теоретики придумывают теоретические концепции и просчитывают это. Например, они строят трехмерные модели или моделируют, как происходит зарождение фотонов в перовскитах и их излучение в нужном направлении. С ними непрерывно общаются физики-экспериментаторы, которые проверяют полученную информацию на практике.

– Для чего вы сотрудничаете с другими странами?
– Мы с ними активно обсуждаем, что мы можем сделать вместе, как мы можем друг другу помочь. Идет активный обмен знаниями, образцами, компетенциями.
Например, иностранные коллеги могут предложить взять образец и у себя в Австралии что-то измерить на нем при помощи оборудования, которого ни у кого нет, кроме них.

– Как проходит ваш рабочий день?
– Один день в неделю я читаю лекции в университете. Я разрабатываю план, ищу, какую информацию рассказать студентам, чтобы, с одной стороны, им было интересно, а с другой — эти сведения не устарели через полгода.
Иные мои дни состоят из ряда встреч, на которых я обсуждаю различные вопросы с физиками-теоретиками и экспериментаторами, планирую работу со студентами и аспирантами, общаюсь с профессорами. И, конечно, занимаюсь самой научной деятельностью — сосредоточенно работаю в кабинетной тиши.

– Какое высшее образование лучше получить, чтобы заниматься нанотехнологиями?
– Это междисциплинарная специальность, поэтому нет факультета, где можно выучиться на нанотехнолога. Оптимально получить хорошее фундаментальное образование. Если человек хочет синтезировать новые материалы, лучше идти на химию. Мечтает их исследовать — лучше пойти на оптику или физику твердого тела. Кроме того, можно выучиться и на биолога — все зависит от интересов конкретного человека.
Качественное фундаментальное образование можно получить в вузах «старой школы» — это МГУ, СПбГУ, МИФИ, МФТИ, ИТМО, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербургский академический университет. Мы сотрудничали с этими университетами, и в их уровне я уверен.

– Почему нанотехнолог должен быть междисциплинарным специалистом?
– Чтобы иметь возможность смотреть на вещи максимально широко. К примеру, однажды мы разработали наночастицу, которая могла преобразовывать свет в тепло и при этом измерять температуру в наномасштабе. И понятия не имели, что делать с этим изобретением. Обратились к биофизикам, а те сказали, что это замечательная вещь. Ведь можно эту частицу внедрить в раковую клетку, посветить на нее светом, она нагреется, и клетка умрет. А соседние здоровые клетки останутся живы.

– Вы упоминали, что у вас работают студенты. Чем они занимаются?
– Рабочий день студента может выглядеть следующим образом. Придя в лабораторию, он подготавливает образцы, собирает установку, проводит измерения и получает некий результат, который никто до него не получал. Затем студент обсуждает полученные данные со своим научным руководителем, обдумывает, почему получилось именно так, и постепенно результат опыта превращается в научное знание. После студент пишет статью — небольшой отчет, напоминающий лабораторную работу в школе.

– На какие предметы стоит делать упор школьнику, который хочет заниматься нанотехнологиями?
– В первую очередь, на естественные науки — химию, физику, биологию, а также информатику. Однако в идеале нужно знать все. Чем больше знаешь, тем больше можешь.

– Какие компетенции нужны специалистам в области нанотехнологий?
– Не секрет, что сейчас происходит автоматизация во многих сферах, рабочие места сокращаются. Поэтому в первую очередь будут востребованы креативный склад ума и прочие компетенции, которые сложно заменить компьютером.
Кроме того, важно стараться досконально разобраться в окружающих вещах. Такой подход всегда будет цениться.

– С какими трудностями может столкнуться специалист в области нанотехнологий?
– У творческой составляющей нашей работы есть обратная сторона медали: что-то может просто не получиться. Перед ученым ставят нетривиальную задачу, он радостно за нее берется и не может решить. Многие на этом сгорают.

– Есть ли у вас ролевая модель в профессии?
– Для меня это Джеймс Максвелл. Английский ученый, который объединил электричество, магнетизм и свет — на первый взгляд, необъединяемые вещи. Он сумел посмотреть свежим взглядом на то, что люди знали веками, и благодаря ему у нас есть радио, телевидение и интернет.

– Что вы могли бы посоветовать посмотреть или почитать старшеклассникам, которые хотят больше узнать о нанотехнологиях и работе в этой области?
– Рекомендую посмотреть фильмы про знаменитых ученых — это всегда очень занимательно. А из книг я советую почитать Стивена Хокинга. Он пишет про космос очень простым языком, который будет понятен людям, далеким от этой темы.
Также есть прекрасная книга Григория Перельмана «Занимательная физика». В ней приведена масса интересных примеров, допустим, как отличить сырое яйцо от вареного. Она помогает осознать, что среди привычных вещей есть множество всего интересного.